Rozpylanie jonowe

Jony są przyspieszane w kierunku katody. Wskutek zderzeń z jonami fragmenty tarczy odrywają się i dyfundują przez komorę a następnie osadzają się na podłożu. Wybicie jonu z powierzchni następuje wskutek przekazania pędu przez jon - powierzchnia nie topi się.

Etapy rozpylania jonowego:

• Wytworzenie jonów(najczęściej są to jony Ar+)

• Przeprowadzenie atomów źródła w stan gazowy

• Transport w fazie gazowej

• Osadzanie warstwy

Wydajność procesu rozpylania jonowego (liczba wybitych atomów na jeden padający jon) jest w zakresie od 0.1 do 3. Zależy ona od następujących czynników:

-materiał tarczy

-masa jonów, którymi bombarduje się powierzchnię

-energia jonów, którymi bombarduje się powierzchnię (w przypadku rozpylania jonowego stosuje się energie od 50 eV do 1000 eV)

-kąt padania jonów bombardujących

Wpływ masy (i energii) jonów bombardujących powierzchnię na wydajność procesu wybijania z powierzchni:

Można zauważyć, że im większa masa jonów bombardujących powierzchnię, tym większa wydajność procesu (tym więcej atomów zostanie wybitych).

Procesy wybijania atomów zachodzą w warstwie około 10 Å. 95 % energii padających jonów powoduje ogrzewanie materiału, na który jony padają, w związku z tym musi być on chłodzony. 5 % energii unoszą ze sobą wybijane jony i atomy.

Typowe energie 5-100 eV (znacznie większe niż w przypadku naparowania warstw). Wybijane atomy mają bardzo różne energie.

Rozpylanie jonów nadaje się do nanoszenia warstw stopów, dlatego że skład warstwy jest w przybliżeniu taki sam jak skład rozpylanej tarczy.

W ciele stałym dyfuzja zachodzi powoli. Dlatego zmiany składu tarczy równoważą różnice wydajności wybijania różnych jonów.

Rozpylanie jonowe: techniki doświadczalne:

1. Metoda stałoprądowa (DC sputtering)

2. Metoda zmiennoprądowa (RF sputtering)

3. Rozpylanie reakcyjne (Reactive sputtering)

4. Rozpylanie magnetronowe (Magnetron sputtering)

1. Metoda stałoprądowa

Najprostsza wersja napylania stałoprądowego: jony wybijają atomy z tarczy a te opadają na podłoże i tam osiadają.

Najczęściej do substratu przykłada się ujemne, stałe napięcie. Maksymalna wydajność wybijania atomów jest zazwyczaj przy napięciu 2-5kV.

2. Metoda zmiennoprądowa

Niezbędna przy nanoszeniu materiałów, które są izolatorami. Przy stałym napięciu polaryzującym katoda ładuje się dodatnio. Np. żeby nanieść warstwę SiO2 metodą DC należałoby przyłożyć napięcie rzędu 1012 V.

Przy zmiennym napięciu tarcza ładuje się i rozładowuje na przemian).

Rozpylanie zachodzi, gdy tarcza jest ujemna.

3. Rozpylanie reakcyjne

Powłoka jest otrzymywana w skutek reakcji chemicznej pomiędzy nakładanym materiałem a gazem, który jest wprowadzany do komory próżniowej. Skład cienkiej powłoki może być kontrolowany przez zmianę stosunku ciśnień gazów reaktywnych i obojętnych. Tą metodą są otrzymywane tlenki indu i cyny, używany w optoelektronice i ogniwach słonecznych. 

4. Rozpylanie magnetronowe (Magnetron sputtering)

Budowa magnetronu i mechanizm rozpylania magnetronowego

Schemat źródła magnetronowego (przekrój) i magnesu stałego

1 - target-katoda ( w naszym doświadczeniu użyto target aluminiowy)

2 – anoda

3 – nabiegunniki

4 – przestrzeń środkowa

5 – przestrzeń erozyjna

6 – pobocze z warstwą ustronną

Niejednorodne pole magnetyczne magnesu trwałego zakrzywia tor elektronu, wybitego z powierzchni targetu w wyniku bombardowania jonowego i prowadzi go stycznie wzdłuż linii sił pola przy powierzchni. Spiralny ruch elektronu zwiększa prawdopodobieństwo zderzeń a tym samym wzmocnienie jonizacji. Wzmocnienie to przynosi wzrost szybkości rozpylania.

Ruch elektronu w polu magnetycznym magnetronu.

2.4 Mody pracy magnetronu

Rozpylanie magnetronowe może zachodzić w gazie reaktywnym. Atomy, cząsteczki wybite z powierzchni targetu mogą wchodzić w reakcję z cząsteczkami gazu reaktywnego tworząc związki. Przykładem związku może być azotek tytanu TiN, powstały na skutek łączenia tytanu-targetu i azotu-gazu reaktywnego. Stechiometria utworzonego związku określa udział pierwiastka w związku i przyczynia się do własności tworzonych warstw (dla związku TiN_X 0,7<X<0,9). Stechiometria związku zależeć będzie od modu pracy magnetronu. Jeżeli decydujący udział w procesie wezmą atomy-cząsteczki targetu, to będzie mieli mod metaliczny. Natomiast gdy przewagę w procesie będą miały atomy-cząsteczki gazu reaktywnego to rozpylanie będzie w modzie reaktywnym.

Charakterystyki określające warunki pracy magnetronu:

Warunki pracy magnetronu (stabilne, niestabilne)

Przewaga atomów-cząsteczek gazu reaktywnego wpływa na charakterystykę pracy magnetronu. Istnieje niekorzystne zjawisko „zatruwania” targetu, kiedy tworzy się w obszarze pobocza strefy erozyjnej warstwa związku złożonego z atomów-cząsteczek targetu i gazu reaktywnego. Efektem zatrucia jest niekorzystny charakter rozpylania.

Charakter pracy magnetronu określany jest przez pojęcie stabilności.

Stabilność wyznaczana jest przez określenie różniczki cząstkowej funkcji będącej równaniem równowagi:

$$\varphi_{r} = p_{r}S_{r} + \dot{\varphi_{r}}$$

Gdzie φ_r- natężenie przepływu gazu reaktywnego

S_r- szybkość pompowania gazu reaktywnego przez układ pompowy

$\ \dot{\varphi\_ r}$- - natężenie przepływu gazu reaktywnego pompowanego przez rozpylanie

p_r- ciśnienie cząstkowe gazu reaktywnego rp

Różniczka po ciśnieniu cząstkowym stanowi podstawę do określenia stabilności pracy magnetronu. Jeżeli różniczka ta jest większa od zera (I,III), co odpowiada pracy w modzie metalicznym, to mówimy o stanie stabilnym. Natomiast jeżeli różniczka jest mniejsza od zera (II), wówczas mówimy o stanie niestabilnym – praca w modzie reaktywnym.

Przebieg charakterystyki pracy magnetronu dla warunków stabilnych i niestabilnych.

Najbardziej korzystnym punktem pracy magnetronu jest punkt zbliżony do punktu przejścia A (stabilny-niestabilny), ponieważ w stanie stabilnym trudno jest uzyskać określony skład stechiometryczny. Z kolei skład ten jest łatwy do uzyskania w stanie niestabilnym ale występują problemy z „zatruwaniem” targetu.

BUDOWA DZIAŁA MAGNETRONOWEGO

Działo magnetronowe składa się ono z targetu i magnesów stałych chłodzonych wodą. Rozkład pola magnetycznego nad powierzchnią targetu pokazano na rysunku:

Rozkład natężenia pola magnetycznego na powierzchni targetu.

Rozkład pola magnetycznego ma decydujący wpływ na współczynnik wykorzystania powierzchni targetu. Jest on definiowany jako stosunek pola powierzchni trawionej do całkowitego pola targetu . Na rysunku poniżej widoczne są obszary wzmożonego trawienia (pola jasne) jak i obszary nie trawione (pola ciemne).

Target po procesie trawienia magnetronowego

Wyrzutnia magnetronowa podczas pracy

Podstawowe zastosowania plazmy magnetronowej to:

• otrzymywanie warstw metalicznych, półprzewodzących, dielektrycznych,

• otrzymywanie warstw z materiałów trudnotopliwych np. W, Ti, Ni,

• otrzymywanie warstw magnetycznych,

• czyszczenie podłoży,

• modyfikacja chemiczna powierzchni (np. przy metalizacji PTFE, której nie można wykonać innymi metodami),

• możliwość wykonywania procesów reaktywnych.